„Samonaprawiające się” zbiorniki na wodór
Politechnika Wrocławska10 mln euro na projekt ECOHYDRO zyskało międzynarodowe konsorcjum uczelni, instytutów naukowych i firm, wśród których jest m.in. francuski koncern lotniczy Airbus oraz Politechnika Wrocławska. Dzięki unijnemu grantowi wkrótce wspólnie zaczną prace nad wyjątkowymi zbiornikami do gromadzenia i transportu wodoru. Mają być nie tylko duże i do wielu zastosowań, ale także powstać z materiałów umożliwiających tzw. samonaprawę.
Zaplanowany na cztery lata projekt rozpocznie się w styczniu. Jest możliwy dzięki dofinansowaniu z Unii Europejskiej w ramach prestiżowego programu Horizon Europe. Unijny grant to aż 10 mln euro, ale całkowita kwota przedsięwzięcia będzie dużo większa, bo swój wkład finansowy dołożą także firmy należące do konsorcjum.
Grupę tę tworzy aż 15 firm, uczelni i instytucji naukowych z Francji, Belgii, Luksemburga, Włoch, Polski, Wielkiej Brytanii i Turcji. Na jej czele – jako lider przedsięwzięcia – stanęła francuska uczelnia Institut Mines-Telecom, a wśród konsorcjantów są m.in. francuski Airbus, potentat z branży lotniczej, brytyjska Electra Commercial Vehicles zajmująca się elektromobilnością czy włoski startup MDP – Materials Design and Processing specjalizujący się w materiałoznawstwie i projektowaniu konstrukcyjnym.
Na Politechnice Wrocławskiej działaniami w ramach projektu zajmie się zespół z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej z Wydziału Mechanicznego, kierowany przez dr. inż. Pawła Gąsiora.
Naukowcy mają już wieloletnie doświadczenie w badaniach wytrzymałości zbiorników wodorowych dla partnerów z całego świata (aktualnie realizują także inny duży unijny projekt „ROAD TRHYP”), a w ramach ECOHYDRO poza badaniami zbiorników będą odpowiedzialni także za kilka innych zadań.
Zbiorniki do zadań specjalnych – dla samolotów
Konsorcjum zamierza bowiem opracować nowe rozwiązanie do magazynowania i transportu wodoru. Mają to być duże zbiorniki, mogące pomieścić od 40 do nawet 300 kg wodoru.
– Co oznacza, że taki zbiornik będzie miał objętość na poziomie około 6 000 litrów – dodaje dr Paweł Gąsior.
W ramach projektu powstaną zarówno zbiorniki wysokociśnieniowe, jak i kriogeniczne, które będą odpowiednie do różnych zastosowań – od przewozu wodoru, przez zasilanie pojazdów drogowych, szynowych i wodnych oraz napowierzchniowe magazyny energii, aż po lotnictwo (wodór to kolejny krok w rozwoju napędów w tej branży, w wielu firmach lotniczych trwają prace nad zastosowaniem technologii wodorowych w statkach powietrznych, a Airbus – jeden z konsorcjantów w projekcie ECOHYDRO – ogłosił, że produkcję pierwszego samolotu z napędem wodorowym zacznie nie później niż w 2035 r.).
– Lotnictwo to absolutnie nowy sektor w kontekście wodoru – podkreśla prof. Jerzy Kaleta z Katedry Mechaniki, Inżynierii Materiałowej i Biomedycznej. – Mamy już dość zaawansowane rozwiązania dla transportu samochodowego, kolei czy transportu wodnego, ale dla branży lotniczej dopiero powstają. A wiążą się z zupełnie innymi wymaganiami dotyczącymi bezpieczeństwa gromadzenia wodoru, jego przenikalności czy systemów monitorowania. Stąd też nasz projekt ma tak duży budżet, bo oznacza znacznie większy zakres zadań niż gdybyśmy zajmowali się zbiornikami wodorowymi dla „sprawdzonych” już rozwiązań.
Zbiornikowe zero waste
Zbiorniki, które powstaną w ramach projektu, mają być wykonane z materiałów umożliwiających ich recykling i tzw. samonaprawę.
– To jeden z ważnych elementów naszego projektu – opowiada prof. Kaleta. – Odpowiada za niego francuska firma Arkema, która jest dużym producentem żywic do materiałów kompozytowych. Opracuje ona nowy rodzaj żywicy termoplastycznej, która będzie łatwo recyklowalna, czyli w 100 proc. będzie można odzyskać komponenty takich zbiorników i ponownie wykorzystać je do tworzenia nowych produktów.
Jak tłumaczy profesor, recykling materiałów ze zbiorników kompozytowych jest dość trudny, bo w czasie obróbki często dochodzi do rozerwania włókien węglowych, które są najdroższym elementem. Rozwiązanie proponowane przez francuską firmę sprowadzi się do wytopienia żywicy, tak by włókno można było odwinąć i w ten sposób uzyskać je w stanie nadającym się do ponownego użycia.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Żywica, którą Arkema zamierza wykorzystać do budowy zbiorników, ma także gwarantować tzw. samonaprawę – opowiada dr Gąsior. – Oznacza to, że po podgrzaniu zbiornik będzie powracał do swoich pierwotnych parametrów. Nasz projekt wpisuje się więc w ideę zero waste.
Badacze z Politechniki Wrocławskiej będą natomiast bezpośrednio zaangażowani w testy materiałowe prototypów zbiorników, które mają weryfikować ich wytrzymałość mechaniczną. Będą to testy hydrauliczne.
– Sprawdzamy nimi maksymalne ciśnienie rozrywania takich zbiorników, czyli jakie maksymalne obciążenie może przyjąć zbiornik z tym ciśnieniem wewnętrznym – tłumaczy dr Gąsior. – Wykonujemy także testy zmęczeniowe w temperaturach pokojowych i ekstremalnych, czyli od -40 do +85 st. Celsjusza, i w takich warunkach obciążamy zbiornik ciśnieniem zmiennym, co ma zasymulować codzienną eksploatację takiego zbiornika w pojeździe lub przy zastosowaniu stacjonarnym. W ten sposób symulujemy więc tankowanie i roztankowanie.
– Pozwala nam to w ciągu tygodnia w naszym laboratorium zweryfikować kilkuletni okres eksploatacji zbiornika wodorowego – tłumaczy prof. Kaleta.
W Laboratorium Zbiorników Wysokociśnieniowych naukowcy będą takim konstrukcjom także zadawać programowane uszkodzenia, czyli np. nacinać je, zrzucać i powodować defekty – symulując w ten sposób zdarzenia, do jakich może dojść, gdy takie zbiorniki są wykorzystywane (np. gdy zbiornik jest zamontowany na dachu wysokiego pojazdu i dojdzie do jego uszkodzenia pod niskim wiaduktem).
Cyfrowy bliźniak
Zespół z PWr będzie także nadzorował podobne testy zbiorników kriogenicznych, które będą wykonywane u zewnętrznych partnerów projektu, oraz będzie odpowiedzialny za wdrożenie systemu pomiarowego do monitorowania stanu technicznego zbiorników.
– Będzie opierał się o czujniki światłowodowe, wykorzystywane do pomiarów m.in. odkształceń czy temperatury. Bierzemy pod uwagę dwa rozwiązania: czujniki punktowe ułożone w siatkę umieszczoną na zbiorniku oraz czujniki rozłożone, wykorzystujące całą długość kabla światłowodowego, zintegrowanego z kompozytem – wyjaśnia dr Gąsior.
Dane zebrane z tych czujników pomogą w stworzeniu tzw. cyfrowego bliźniaka zbiornika, czyli numerycznego odpowiednika rzeczywistego zbiornika. Takie rozwiązanie pozwala na symulowanie różnych warunków pracy zbiornika i weryfikowanie konkretnych założeń związanych np. z monitorowaniem konstrukcji, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów prac eksperymentalnych.
Źródło: Politechnika Wrocławska
